Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Ochrona przewodów od skutków zwarć w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia

Wire protection from short-circuit effects in low voltage electrical installations
W artykule omówiono zjawiska nagrzewania przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych, przedstawiono urządzenia zabezpieczające od skutków zwarć oraz wskazano jak obliczać wartości prądów zwarciowych i dobierać przekroje przewodów.
W artykule omówiono zjawiska nagrzewania przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych, przedstawiono urządzenia zabezpieczające od skutków zwarć oraz wskazano jak obliczać wartości prądów zwarciowych i dobierać przekroje przewodów.
Rys. redakcja EI

Prawidłowo zaprojektowana instalacja elektroenergetyczna powinna charakteryzować się niezawodną pracą podczas przepływu prądów roboczych oraz odpornością na skutki przepływu prądów zwarciowych. Przepływ prądu zwarciowego prowadzi do znacznego zwiększania się wydzielania ciepła na rezystancji żył przewodów i kabli oraz do pojawienia się sił elektrodynamicznych o znacznej wartości. W instalacjach elektroenergetycznych niskiego napięcia w budynkach pomija się oddziaływania elektrodynamiczne. Istotne dla funkcjonowania instalacji są natomiast skutki cieplne.

W artykule:

• Nagrzewanie przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych
• Aparaty zabezpieczające od skutków zwarć
• Obliczanie wartości prądów zwarciowych
• Dobór przekroju przewodów
• Analiza hipotetycznego przypadku doboru przewodu

streszczenie

Instalacje elektryczne należy projektować tak, aby zapewnić ciągłość zasilania także podczas sytuacji awaryjnych. Wystąpienie zwarcia w instalacji elektrycznej prowadzi do przepływu prądu o wartości wielokrotnie większej niż dopuszczalna podczas normalnej pracy. Przepływ takiego prądu prowadzi do wzrostu temperatury przewodów instalacji. W celu ochrony od skutków przepływu prądów zwarciowych należy prawidłowo dobrać zabezpieczenia, jak również w sposób właściwy wyznaczyć wartości spodziewanych prądów zwarciowych.



abstract

A properly designed power installation should be characterized by reliable operation during the flow of nominal currents and resistance to the effects of short-circuit currents. The flow of short-circuit current leads to a significant increase in heat generation on the resistance of conductors of wires and cables and to the electrodynamic forces of considerable value. Electrodynamic forces in low-voltage electrical installations can be omitted. Thermal effects however are important for the functioning of the installation.

Nagrzewanie się przewodów podczas przepływu prądu zwarciowego najczęściej jest krótkotrwałe i uzależnione od czasu zadziałania aparatu zabezpieczającego. Dla obwodów odbiorczych instalacji niskiego napięcia zabezpieczonych wyłącznikami nadprądowymi czas ten jest nie dłuższy niż 100 ms, przeważnie jednak zawiera się w granicach od 5 do 15 ms [1]. Przy takim czasie przepływu prądu zwarciowego przyjmuje się, że nie zachodzi oddawanie ciepła do otoczenia (nagrzewanie adiabatyczne), cała energia wydzielona na rezystancji żył prowadzi do wzrostu temperatury przewodu.

Nagrzewanie przewodów podczas przepływu prądów zwarciowych

Na rys. 1. przedstawiono przebieg nagrzewania się przewodu w czasie zwarcia. Przyjmuje się, że bezpośrednio przed wystąpieniem zwarcia przewody nagrzane są do temperatury roboczej ϑ (dopuszczalnej długotrwale). Czas trwania zwarcia tk w instalacjach odbiorczych jest nie dłuższy niż kilkanaście milisekund, a w obwodach rozdzielczych rzędu dziesiątej części sekundy.

Rys. 1. Krzywa nagrzewania przewodu podczas przepływu prądu zwarciowego [11]
Rys. 1. Krzywa nagrzewania przewodu podczas przepływu prądu zwarciowego [źródło: Markiewicz H., Urządzenia elektroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006]

Przyjmuje się, że podczas zwarcia nie następuje oddawanie ciepła do otoczenia, cała energia cieplna wytworzona w przewodzie przeznaczana jest na jego nagrzewanie. Z tego powodu następuje znaczny wzrost temperatury przewodu, aż do poziomu ϑk.

Następnie, po zadziałaniu aparatu zabezpieczającego, następuje studzenie przewodu, aż do temperatury otoczenia ϑo. Najważniejszym kryterium dla poprawnej i długotrwałej eksploatacji instalacji elektrycznej jest, aby nigdy nie nastąpiło przekroczenie temperatury dopuszczalnej podczas zwarcia ϑdk. Przekroczenie tej temperatury może spowodować trwałe uszkodzenie izolacji przewodu, a co za tym idzie, konieczność wymiany części instalacji.

Na podstawie analizy wykresu nagrzewania można również zauważyć, że załączenie ponowne obwodu, w którym nastąpił przepływ prądu zwarciowego, tuż po tym zwarciu, może prowadzić do przekroczenia temperatury ϑdk. Wynikać to będzie z tego, że aktualna temperatura przewodu będzie wyższa niż temperatura robocza.

Aparaty zabezpieczające od skutków zwarć

W instalacjach elektrycznych niskiego napięcia do zabezpieczenia od skutków zwarć i przeciążeń stosuje się wyłączniki nadmiarowo-prądowe oraz bezpieczniki topikowe.

Zgodnie z wymaganiami rozporządzenia [2] w obwodach odbiorczych należy stosować wyłączniki nadprądowe. Bezpieczniki można stosować tylko w obwodach rozdzielczych.

Główne elementy składowe nadprądowych wyłączników instalacyjnych przedstawione zostały na rys. 2.

Rys. 2. Schemat elektryczny (a) i budowa (b) wyłącznika nadprądowego firmy LEGRAND, gdzie: 1 – dźwignia napędu, 2 – zamek, 3 – styk stały, 4 – styk ruchomy, 5 – zaciski przyłączeniowe, 6 – wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy), 7 – zatrzask umożliwiający montaż na wspornikach (szynach) montażowych TH 35, 8 – wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy), 9 – komora gaszeniowa, 10 – wyzwalacz cieplny, 11 – obudowa, 12 – cewka podnapięciowa [3]
Rys. 2. Schemat elektryczny (a) i budowa (b) wyłącznika nadprądowego firmy LEGRAND, gdzie: 1 – dźwignia napędu, 2 – zamek, 3 – styk stały, 4 – styk ruchomy, 5 – zaciski przyłączeniowe, 6 – wyzwalacz termobimetalowy (przeciążeniowy), 7 – zatrzask umożliwiający montaż na wspornikach (szynach) montażowych TH 35, 8 – wyzwalacz elektromagnetyczny (zwarciowy), 9 – komora gaszeniowa, 10 – wyzwalacz cieplny, 11 – obudowa, 12 – cewka podnapięciowa [źródło: Markiewicz H., Instalacje elektryczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2008.]

Ze względu na ochronę od skutków zwarć należy rozpatrzyć pracę następujących elementów: wyzwalacza elektromagnetycznego, styku stałego oraz ruchomego, a także komory gaszeniowej.

Kiedy wartość chwilowa prądu zwarciowego przekroczy nastawiany pułap, dla danego rodzaju zabezpieczenia, spowoduje to zadziałanie wyzwalacza elektromagnetycznego, który zadziała na zamek. Rozpocznie się otwieranie styków i zapali się łuk elektryczny między nimi. Łuk ten będzie przesuwał się w stronę komory gaszeniowej, gdzie zostanie podzielony na łuki krótkie. Spowoduje to wzrost spadku napięcia na nim oraz wzrost odbierania energii cieplnej z kolumny łukowej.

Przy naturalnym przejściu prądu przez zero nastąpi pełne wyłączenie uszkodzonego obwodu i przerwanie przepływu prądu zwarciowego.

Rys. 3. Charakterystyki pasmowe wyłączników instalacyjnych B, C i D (k – krotność prądu znamionowego) [4]
Rys. 3. Charakterystyki pasmowe wyłączników instalacyjnych B, C i D (k – krotność prądu znamionowego) [źródło: Lejdy B., Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.]

Czas wyłączania zawiera się w granicach od 5 do 15 ms i jest uzależniony od fazy załączenia prądu zwarciowego [1]. Nie występuje różnica w czasie wyłączania zwarcia w zależności od charakterystyki czasowo-prądowej wyłącznika nadprądowego.

Zgodnie z charakterystykami wyłączników (rys. 3.), po przekroczeniu określonej wartości prądu następuje zadziałanie bezzwłoczne aparatu.

Całka Joule’a I2t jest miarą ilości ciepła (I2·R·t) przepływającego przez zabezpieczenie i przez wszystkie elementy zabezpieczanego obwodu w określonym czasie, np. w czasie przedłukowym (I2·tp) i w czasie wyłączania (I2·tw).

W odniesieniu do wyłączników instalacyjnych spotykanym określeniem jest również energia przenoszona (ang. let-through energy). Jej wartość jest uzależniona między innymi od prądu roboczego zabezpieczenia oraz jego charakterystyki czasowo-prądowej.

Przykładowe krzywe dla wybranych wyłączników instalacyjnych przedstawiono na rys. 4. Można zauważyć, że wraz ze wzrostem wartości spodziewanego prądu zwarciowego wartość energii przenoszonej wzrasta.

Rys. 4. Charakterystyki energii przenoszonej (całki Joule'a) dla wyłączników B i C, ABB [5]
Rys. 4. Charakterystyki energii przenoszonej (całki Joule'a) dla wyłączników B i C, ABB [źródło: http://new.abb.com/pl]

Kolejnym aparatem zabezpieczającym obwody od skutków zwarć jest bezpiecznik topikowy. Wyłączanie prądów zwarciowych przedstawia się w sposób następujący. Topik rozpada się po przepuszczeniu ściśle określonej wartości I2·t, zależnej od przekroju topika Sz w miejscach zwarciowych, tzn. w przewężeniach, tam, gdzie jest on najmniejszy:

(1)

przy czym K jest stałą materiałową (stałą Meyera) przewężeń topika w przybliżeniu równą iloczynowi temperatury topnienia, ciepła właściwego (odniesionego do jednostki objętości) i konduktywności elektrycznej.

Przekrój topika w miejscach przewężeń Sz jest miarą całki Joule’a przedłukowej i charakteryzuje zdolność ograniczania prądu zwarciowego przez bezpiecznik [6].

Obliczanie wartości prądów zwarciowych

Wyznaczanie wartości wielkości prądów zwarciowych może być realizowane zgodnie z normą PN-EN 60909-0 [9]. Oznacza to wykonywanie obliczeń z wykorzystaniem składowych symetrycznych.

Norma ta nie narzuca jednak takiego wymogu, więc obliczenia zwarciowe mogą być wykonywane także w tzw. sposób uproszczony (bliższy sposobowi przedstawionemu w nieobowiązującej normie PN-90/E-05025).

Obliczanie prądów zwarciowych dla instalacji elektroenergetycznych niskiego napięcia będzie się różnić, w pewnych aspektach, od obliczeń dla sieci rozdzielczych i dystrybucyjnych.

W instalacjach niskiego napięcia najczęściej będzie występowało pojedyncze źródło zasilania w postaci systemu elektroenergetycznego.

Nawet jeżeli w obiekcie zainstalowane są dodatkowe generatory przeznaczone do zasilania awaryjnego instalacji, to nie będą one uwzględniane w obliczeniach mających na celu wyznaczenie maksymalnej wartości prądu zwarciowego. Będą miały natomiast olbrzymie znaczenie przy obliczaniu minimalnego prądu zwarciowego w celu zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej.

Kolejnym elementem istotnie wyróżniającym obliczenia w instalacjach niskiego napięcia jest konieczność uwzględniania rezystancji przewodów, kabli oraz aparatów zabezpieczających.

Rys. 5. Schemat zastępczy obwodu zwarciowego w instalacji elektrycznej niskiego napięcia, gdzie: S – system elektroenergetyczny, Tr – transformator, WLZ – wewnętrzna linia zasilająca, L – instalacja odbiorcza, XSK – reaktancja systemu elektroenergetycznego, RSK – rezystancja systemu elektroenergetycznego, XTr – reaktancja transformatora, RTr – rezystancja transformatora, XWLZ – reaktancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, RWLZ – rezystancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, XL – reaktancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej, RL – rezystancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej; rys. archiwum autora (A. Książkiewicz)
Rys. 5. Schemat zastępczy obwodu zwarciowego w instalacji elektrycznej niskiego napięcia, gdzie: S – system elektroenergetyczny, Tr – transformator, WLZ – wewnętrzna linia zasilająca, L – instalacja odbiorcza, XSK – reaktancja systemu elektroenergetycznego, RSK – rezystancja systemu elektroenergetycznego, XTr – reaktancja transformatora, RTr – rezystancja transformatora, XWLZ – reaktancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, RWLZ – rezystancja przewodu fazowego wewnętrznej linii zasilającej, XL – reaktancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej, RL – rezystancja przewodu fazowego instalacji odbiorczej; rys. archiwum autora (A. Książkiewicz)

Dla obwodów odbiorczych wykonanych przewodami o małych przekrojach żył ich rezystancja jest wielokrotnie większa niż reaktancja indukcyjna.

Podstawową wielkością charakteryzującą prąd zwarciowy jest jego spodziewana wartość skuteczna (wzór 2).

(2)

Wielkość ta charakteryzuje wartość prądu zwarciowego po zaniknięciu zjawisk przejściowych. Ze względu na znaczny udział rezystancji w wypadkowej impedancji pętli zwarcia ZK zjawiska te najczęściej można pominąć. Z tego samego powodu przyjmuje się, że wartość prądu zwarciowego zastępczego cieplnego Ith jest równa wartości Ik’’.

Twierdzenie to uznaje się za prawdziwe, kiedy czas trwania zwarcia Tk jest ponad dziesięciokrotnie dłuższy niż stała czasowa obwodu T (wzór 3) [10].

(3)

Przykładowy schemat zastępczy możliwy do zastosowania w obliczeniach przedstawiono na rys. 5.

Układ składa się z następujących elementów:

  • systemu elektroenergetycznego zasilającego instalację,
  • transformatora elektroenergetycznego SN/nn,
  • wewnętrznej linii zasilającej
  • oraz obwodu, na którego końcu wystąpiło zwarcie.

Literatura

1. Książkiewicz A., Let-through energy of miniature circuit breaker in function of phase angle of short-circuit current, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, 78/2014, s. 59-64, Poznań.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dn. 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.)
3. Markiewicz H., Instalacje elektryczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2008.
4. Lejdy B., Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005.
5. http://new.abb.com/pl
6. Musiał E., Bezpieczniki w nowoczesnych układach zabezpieczeń urządzeń niskiego napięcia, Ogólnopolskie Szkolenie Techniczne „Zabezpieczenia niskonapięciowych instalacji i urządzeń elektrycznych” Poznań, październik 2001. Poznań: ENERGO-EKO-TECH, s. 1-19.
7. Musiał E., Obciążalność cieplna oraz zabezpieczenia nadprądowe przewodów i kabli, Miesięcznik SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych” 2008, nr 107, s. 3-41.
8. http://www.etipolam.com.pl
9. PN-EN 60909-0: Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego - Część 0: Obliczanie prądów
10.  Wiatr J., Orzechowski M., Poradnik projektanta elektryka. Wydanie V, Dom Wydawniczy Medium, 2012
11.  Markiewicz H., Urządzenia elektroenergetyczne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006.

Czytaj też: Problematyka strat mocy i energii w transformatorach rozdzielczych SN/nn >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Ten artykuł jest PŁATNY. Aby go przeczytać, wykup dostęp.
DOSTĘP ABONAMENTOWY
DOSTĘP SMS
Dostęp za pomocą SMS czasowo zawieszony







Reklamacje usługi prosimy zgłaszać przez formularz reklamacyjny
Masz już abonament - zaloguj się:
:
:
zapomniałem hasła
Nie posiadasz konta - kliknij i załóż »
Nie masz abonamentu - wykup dostęp:
Abonament umożliwia zalogowanym użytkownikom dostęp do wszystkich płatnych treści na naszym portalu.
Dostępne opcje abonamentowe:
Pakiet: dwuletnia prenumerata papierowa (20 numerów) + dwuletni dostęp do wszystkich treści portalu (730 dni) - 185,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. Zamów już dziś!
Pakiet: roczna prenumerata papierowa (10 numerów) + roczny dostęp do wszystkich treści portalu (365 dni) - 105,00 zł
Prenumerata + on-line w promocyjnej cenie. Zamów już dziś!
Prenumerata elektroniczna (365 dni) - 79,00 zł
Roczny dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Prenumerata elektroniczna (30 dni) - 15,00 zł
30 dniowy dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Roczny dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Dwuletni dostęp dla prenumeratorów w specjalnej cenie! - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś dwuletnią prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
30 dniowy dla prenumeratorów w specjalnej cenie - 0,00 zł
Jeśli zakupiłeś roczną prenumeratę papierową, masz możliwość skorzystania z bezpłatnego dostępu do wszystkich treści elektronicznych. Po weryfikacji danych skontaktujemy się z Tobą). Dostęp na czas trwania prenumeraty papierowej!
Prenumerata elektroniczna (730 dni) - 138,00 zł
Dwuletni dostęp do wszystkich płatnych treści naszego portalu.
Regulamin korzystania z portalu elektro.info.pl - zobacz regulamin
Uwagi prosimy zgłaszać na adres:
Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 12/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Jak czyścić i konserwować urządzenia elektryczne pod napięciem?

czyszczenie urządzeń pod napięciem Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można uniknąć poważnych awarii, nadmiernych strat energii i w najgorszym wypadku (...) czytam dalej »


Nowe wtykowe złącza silnoprądowe przystosowane do podłączania mobilnych zespołów prądotwórczych do rozdzielnic nn»

Systemy fotowoltaiczne. Jak zwiększyć efektywność energetyczną?

Złącza silnoprądowe wtykowe Rola miedzi w energetyce słonecznej
Wykonane z tworzywa sztucznego odpornego na wysokie temperatury z kolorowymi oznaczeniami i znacznikami kodowymi uniemożliwiającymi błędne połączenie(...) czytam dalej » Sektor energii słonecznej umacnia się coraz bardziej. Według Solar Power Europe, w roku 2017 została zainstalowana globalnie większa moc energii fotowoltaicznej niż (...) czytam dalej »

Przeciwpożarowa kontrola instalacji elektrycznej »

Kamera termowizyjna przy badaniu sieci elektrycznej Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można uniknąć poważnych awarii, nadmiernych strat energii i w najgorszym wypadku (...) czytam dalej »


Miejskie stacje ładowania pojazdów elektrycznych - jakie mogą mieć funkcjonalności»

Licznik zużycia energii elektrycznej - na jakie parametry zwrócić uwagę?

miejska stacja ładowania Liczniki energii elektrycznej
Samochody elektryczne stają się coraz bardziej popularne. Jednak ich żywot jest uzależniony od stacji ładowania. Stacja ładowania to urządzenie elektryczne, które(...) czytam dalej » Rozwój technologii przemysłowych oraz rozwój budownictwa powodują coraz większe zapotrzebowanie na moc (...) czytam dalej »

Rozwój odnawialnych źródeł energii w Polsce »
Magazyny energi w polsce

Aparatura łączeniową i sterownicza dla automatyki przemysłowej, techniki medycznej oraz automatyki budynków... czytam dalej »


Co się stało z tymi kablami?»

Jakie bezpieczniki wybrać do projektu?

Plątanina kabli  jak sobie z nią poradzić Bezpieczniki siba
Wszelkie błędy popełnione na etapie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji nawarstwiają się latami, stopniowo pro­wadząc do wydłużenia czasu poświęcanego na administrację systemu, zmniejszając pewność jego działania i tym samym zwiększając koszty ... czytam dalej » "Okazało się, że bezpiecznik przegrzał się, ponieważ zamontowano go w miejscu gdzie nie miał wystarczającego chłodzenia. Byliśmy w stanie znaleźć rozwiązanie tego problemu - także (...) czytam dalej»

Bezpłatne ebooki dla elektryków i nie tylko !
Ebooki dla elektryków i nie tylko

Darmowe ebooki i poradniki: projektowanie, budowa, osprzęt... (...) czytam dalej »


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
9/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 9/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne urządzenia rozdzielcze zwiększające bezpieczeństwo pracy
  • - Projekt zasilania osiedla domków jednorodzinnych w energię elektryczną
Zobacz szczegóły
Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Jak zwiększyć niezawodność instalacji elektrycznej?

Instalacja elektryczna znajduje się w każdym budynku i jest częścią układu niskiego napięcia. Powinna być wykonana z niezwykłą starannością oraz dokładnością. Co...
Essentra Components Essentra Components
Essentra plc jest spółką notowaną w indeksie FTSE 250 i wiodącym międzynarodowym dostawcą specjalistycznych produktów i rozwiązań ....
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl